高原地区的电气设计

高原地区的电气设计上海核工程研究设计院肖霞摘要：分析高海拔、空气稀薄、温度变化大等自然条件对电气设备的影响，在高原地区的电气设计有其特殊要求，应对高压开关设备、干式变压器、低压断路器等设备进行校验；在高海拔地区的特殊气候环境下，如何选择电力电缆及导线，如何敷设；高雷暴日的防雷措施，冻土地区的接地方式。

关键词：耐压试验电压；温升限值；额定电流校验；耐寒电线电缆；冻土降阻措施一、引言1.1海拔超过1000m的地区称为高海拔地区。

高海拔地区，因空气稀薄，会使电工产品的散热效率降低，同时因气压降低和大气密度的减少，会使空气的绝缘强度降低。

以往我们所参照的电气参数及设备的数据均是在正常海拔的使用环境之下实验得到的，常规型电气设备的电气参数及设备数据是按正常使用环境制造的，一般均标注海拔不超过2000m，周围空气温度上限为+40ºC，下限为-5ºC。

因此，高原地区的电气设备选择与往常的电气设备选择有很多不同之处。

1.2笔者以夏木拉矿泉水项目为例，对高海拔地区电气设计的设计选型及注意事项简单说明，供电气设计人员高原地区项目时参考。

条件资料如下：本项目位于青藏高原那曲安多县，用户环境条件为海拔高度4900多米,最低环境温度-25ºC；室外消防用水量为45L/s。

受当地地理环境限制，供电部门提供一路10kV高压电源进线，消防电源及部分重要负荷由柴油发电机提供第二路独立电源，以满足消防及重要负荷的二级负荷供电要求。

二、高海拔地区的电气开关设备选择2.1海拔为1000~5000m之间，每增高100m，气压约降低0.8~1kPa；气压降低容易使空气电离而降低介电强度，同时冷却效能下降，导致开关灭弧困难和电气温度升高。

虽然海拔升高，空气温度也会下降，但温度过低，又会使电气设备内某些材料变硬变脆，使有些油类的粘度增大或凝固，影响设备的正常动作。

日夜温差过大，易产生凝露，使零部件变形、开裂、瓷件碎裂等。

因而，高原地区的设备选型有其特殊的要求，需要校验其电气参数或选用高原型的电气设备产品。

目前，我国已制定了一系列用于高原特殊环境条件的电气装置技术要求，为高原电气设计提供了便捷。

2.2高压开关设备高原气候对高压开关设备的影响首当其冲。

对于10kV开关柜来说，其额定电压为12kV；额定工频耐压值（有效值）为42kV；额定雷电冲击耐压为75kV。

安装在高海拔地区的产品，如选用试验地点海拔低于1000m的电器产品，应根据IEC出版物694对工频和冲击试验电压作适当校正。

校正公式为U= 1.10U式中U—应选用的试验电压（kV，工频：有效值；冲击：最大值）;U0—额定耐压试验电压（kV）;ａ—校正系数，见图1-1图2-1校正系数a与海拔关系由此可得，那曲安多地区ａ取0.56，相应的耐压值增加约62.3%。

2.3对变压器的影响对于平时常用的环氧树脂干式变压器来说，国家标准关于以上两个因素有着明确的校正方法。

根据GB1094.11-2007《电力变压器第11部分干式变压器》中第11.1条~11.3条的规定，对于在超过1000m 海拔处运行，并在正常海拔进行试验的变压器，其温升限值应相应递减，超过1000m海拔部分以第500m为一级，按下列数据相应降低：对自冷变压器2.5%对于风冷变压器5%因此，那曲安多县地区干式变压器的，温升限值校正为4500-1000/500× 5% =35%；4500-1000/500× 2.5% =17.5% 。

由于F级环树脂干式变压器允许温升为100K，因此设计值控制在65K。

干式变压器在那曲安多县地区应选择气候等级为C2级的干式变压器。

（注：C2变压器适合于在低至-25ºC的环境温度下运行、运输和储存）当变压器被规定在海拔1000米~3000米之间运行，而其试验却在正常海拔处进行时，其额定短时外施耐受电压值，应根据安装地点的海拔超过1000m的部分，以每增加100m增加1%的方式来提高。

当海拔超过3000m处运行时，其绝缘水平应由供、需双方协商确定。

2.4低压电器2.4.1电气间隙以空气绝缘的产品，其电气间隙修正系数可按《特殊环境条件高原电工电子产品第1部分：通用技术要求》（GB/T 20626.1-2006）给出的图表计算：表2-1：电气间隙修正系数如低压成套设备以上海海拔0m为基准，其空气最小间隙为8mm，当其用于本工程海拔4900m时，产品设计的最小电气间隙应为8mmx1.856=14.848mm。

2.4.2工频耐压和冲击耐压修正表2-2：工频耐压和冲击耐压修正的海拔修正系数Ka在海拔2000m及以下时，常规型产品标准规定的冲击耐受试验电压为4kV，本工程使用地点为海拔4900m，试验地点海拔1000m，其冲击耐受电压试验值应修正为：4x1.67=6.68kV。

2.4.3断路器的降容修正对于低压电气设备，情况要稍好一些。

以下是部分厂家给出的断路器的降容修正(以下产品工作环境均为温度-25ºC~70ºC):由图所得，本工程低压电器选用以上产品，在那曲安多地区一般配电系统中的断路器按厂家标注的额定电流的取降容系数0.9进行设计。

2.4.4温升、熔断器及脱扣器的动作特性影响高原环境下，现有的一般低压电器产品，其动、静触头、导电体机线圈等部分的温升随海拔升高而递减，海拔升高100m，温升增加0.1~0.5ºC，而高海拔地区的气温递减率为海拔每升高100m，气温降低0.5ºC，因此可认为气温降低值全部补偿。

试验表明，对于低压熔断器，经过载熔断时间随环境温度减小而增加，在20ºC以下时，变化的程度则更大；而短路熔断时间随环境温度的变化可不作考虑，因此在高原地区使用熔断器开关作为配电线路的过载和短路保护时，其上下级之间的选择性应特别考虑。

采用电子脱扣器的低压电器产品的脱扣动作特性，基本不受高原条件影响，但应充分考虑电子功率元件的散热问题。

2.5柴油发电机对在高原地区使用空气燃烧的柴油发电机来说，由于高原地区的空气稀薄，含氧量低，其工作效率将大大下降。

柴油发电机工作时，柴油燃烧很不充分，单位用量柴油的输出功率将大大下降，同时柴油发电机的维护工作量也大大增加，应采用涡轮增压机组，并对柴油发电机的工作效率进行纠正，或直接采用高原型的柴油发电机。

三、高海拔地区的导线选择根据业主提供的资料，夏木拉工程所处那曲安多县地区最低环境为-25ºC，一般的铜芯聚氯乙烯绝缘电线BV-450/750及交联氯乙烯绝缘电力电缆YJV-0.6/1kV敷设温度不低于0ºC。

虽然工程各子项均有采暖措施，但由于当地供电可靠性低，冬天除宿舍楼外，其余单体均很难保证供电，故电线电缆的设计还应考虑耐寒防冻，即电缆材质的柔韧性、耐寒防裂性。

因此要选择能适应较大温差的电缆，如交联聚乙烯绝缘耐寒电力电缆（电缆最低长期使用温度为-40ºC，最高工作温度为90ºC）及橡皮绝缘电线（电线最低使用温度为-35ºC）。

注：参考宝胜电线电缆选型手册。

由于青藏高原地区多为岩石层，泥土少，室外电缆敷设时还应考虑磨损防护，直埋电缆敷设在冻土层，上下各增加敷设200mm的细沙。

考虑当地气温较低，且多为岩石层，大量电缆直埋敷设有难度，室外主干管线可以考虑复合型管沟敷设，即采用多层敷设，热力管道及水管敷设管道沟下层，电力管线设与两侧上层，电力电缆距热管道保温层外表面的净距离不小于500mm，这样即不影响检修，也人为解决霜冻对水管，电缆护套的伤害。

图2-4综合管井示意图四、防雷与接地4.1防雷系统雷暴活动与地理位置、气候特点有着密不可分的联系。

内陆雷暴主要由锋面雷暴引起伴有少量的气团雷暴和地理雷暴，而高原地区的雷暴主要由地形雷暴形成的。

雪深3 1 1 24 4 4 20042005 1 5 4 4 1 4 4 42006 0 4 2 7 3 1 2007 4 4 3图4-1 那曲安多县2004年~2007年气象资料（注：单位，气温为ºC；降水为mm；风速为m/s；雪深为cm）图4-2 青藏高原与内地年平均雷暴日数对照表图4-3 青藏高原地区与平原地区的雷暴时对比由以上数据得出，高原地区雷暴活动的时间宽度较大，面积小，雷云放电频繁，每次放电电流不大，即年平均雷暴日多，雷电强度小。

在这种雷暴条件下，电涌防护相对可以忽略其最大通流量，而重点考虑其残压对设备的影响。

由于阀型避雷器火花间隙的放电电压易受空气密度的影响，因此需使用高原型阀型避雷器。

如在多雷区选用的放电管型SPD就可以考虑换为限制电压型SPD，对处于LPZOB与LPZ1区的变压器低压端的第一级SPD可选用In20kA(10/350μs)的限压型SPD，LPZ1区的主控柜等第二级SPD选用In40kA（8/20μs）的限制电压型SPD，对于LPZ2区的稳压器、整流装置等第三级SPD选用In20kA（8/20μs）的限制电压型SPD，控制信号线路而言第四级SPD选用In10kA（8/20μs）的限制电压型SPD。

低海拔地区使用的电涌保护器在高海拔条件下使用会发生爆炸或失效问题，因此高原地区使用的SPD应通过GB/T 2423.21-2008《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验M：低气压》标准中规定的低气压实验，按海拔高度校正电气装置外绝缘爬电距离和空气间隙。

四、接地系统4.1青藏高原地区的冻土属于多年冻土，在冻土区进行基础接地施工首先面临的就是高土壤电阻率和冻胀灾害。

高原冻土的平均土壤电阻率都在3000-5000Ω.m之间。

《工业与民用用配电设计手册》第三版中给出，在永久冻土地区，除可采取高电阻率区的降阻措施外，还可采取下列措施：4.1.1将接地极敷设在溶化地带或溶化地带的水池水坑中。

4.1.2敷设深钻式接地极，或充分利用井管或其他深埋在地下的金属构件作为接地极。

4.1.3在房屋溶化盘内敷设接地极。

4.1.4除深埋式接地极外，还应敷设适当深度（约0.5m）的伸长式接地极，以便在夏季地表层化冻时起散流作用。

4.1.5在接地极周围人工处理土壤，以降低冻结温度和土壤电阻率。

4.2对于高土壤电阻率地区允许增大接地电阻值：有效接地和低电阻接地系统不超过5Ω；不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统不超过30Ω。

本项目采用人工接地网格作联合接地，即防雷接地、强电和弱电接地等均与利用结构基础主钢筋及人工接地体构成的共用接地装置相连，接地电阻1Ω，要满足要求确实有一定难度。

因此对于接地材料的选择，应避免使用容易形成金属电位差的材料，不建议使用铜材。

在使用热镀锌钢材时应考虑冻胀的问题，在焊接时做加强保护。

由于多年冻土区的冻土层平均厚度达到281cm（见图2），所以在实际施工时应尽量使水平接地体处于冻土层下，并且禁止使用化学类降阻剂，由于化学类降阻剂需要大量的水稀释，大量的水会造成冻土层的加厚，并加重冻胀灾害，可使用物理性降阻剂进行换土填充。